超微细切削加工的技术难点及解决措施与方法0吹瓶模具
文章来源:泰华五金网 | 2022-07-01
超微细切削加工的技术难点及解决措施与方法
超微细切削加工的技术难点及解决措施与方法 2011年12月10日 来源: 微细切削加工主要是指对零件尺寸在1mm以下、加工精度为0.01~0.001mm的微细尺寸零件的加工;超微细加工是指对尺寸在1µm以下的超微细零件的加工;纳米级超微细加工是指对微细度为1nm以下的零件进行的加工。实现纳米级超微细切削加工主要存在以下技术难点:
材料微量加工性的影响
材料的去除过程不仅取决于切削刀具,同时也严格受制于被加工材料本身。超微细切削加工材料的选择以纳米级的表面质量为前提,称为材料的“微量加工性”(可用纳米级表面粗糙度及在某一加工距离上对刀具磨损的可忽略性来定义)。影响材料微量加工性的因素包括被切削材料对金刚石刀具的内部亲合性(化学反应)、材料本身的晶体结构、缺陷、分布和热处理状态等(如多晶体材料的各向异性对零件加工表面完整性具有较大影响)。
单位切削力大
微细切削是一种极薄切削,切削厚度可能小于晶粒的大小,故切削力的特征是切削力微小,但单位切削力非常大。实现纳米级超微细加工的物理实质是切断材料分子、原子间的结合,实现原子或分子的去除,因此切削力必须超过晶体内部的分子、原子结合力。当切削深度和进给量极小时,单位切削面积上的切削力将急剧增大,同时产生很大的热量,使刀刃尖端局部区域的温度升高,因此在微细切削时对刀具要求较高,需采用耐磨、耐热、高温硬度高、高温强度好的超硬刀具材料。在切削铝合金等有色金属时,最常用的是金刚石刀具。
刃口圆弧半径对超微量切削厚度的限制
刀具刃口半径限制了其最小切削厚度,刀具刃口半径越小,允许的最小切削厚度也越小。由表1可知
hDmin=(0.165~0.246)r
目前常用的金刚石刀具的刀刃锋利度约为r=0.2~0.5µm,最小切削厚度可达0.03~0.15µm;经过特殊刃磨的刀具可达r=0.1µm,最小切削厚度可达0.014~0.026µm。若需加工切削厚度为1nm的工件,刀具刃口半径必须小于5nm,而目前对这种极为锋利的金刚石刀具的刃磨和应用都非常困难。
刀具的磨损和破损
由于金刚石刀具存在微磨损,在切削一段时间后,刀具磨损会逐渐加剧,有时甚至会突然恶化。金刚石刀具的失效有两种形式:崩刃和磨损。金刚石刀具的机械磨损和微观崩刃是由刀刃处的微观解理造成的,其磨损的本质是微观解理的积累。累积的金刚石刀具磨损主要发生在刀具的前、后刀面上,在经过数百公里的切削长度之后,这种磨损变为亚微米级磨损。由于氧化、石墨化、扩散和碳化的作用,金刚石刀具也会产生热化学磨损。崩刃是当刀具刃口上的应力超过金刚石刀具的局部承受力时发生的,是最难预测和控制的损伤,而且对加工表面质量的影响比前、后刀面磨损的影响要大。降低切削温度可有效减少刀具磨损。此外,在充满饱和碳气体中进行切削也可抑制金刚石刀具的碳化作用。
切削过程中的微振动
工件表面形貌是由于刀具的轮廓映射到工件上的结果,因此加工表面粗糙度由刀具和工件之间相对运动的精度及刀具刃口形状决定。微细切削时,由于切削深度常常小于材料的晶粒直径,所以相当于对一个个不连续体进行切削。这种微观上的断续切削及机床的动特性会引起切削过程中的微振动。微细切削中的微振动对加工表面质量的影响也不容忽略。
积屑瘤对加工过程的影响
超微细切削时,积屑瘤的影响不容忽视。积屑瘤影响切削力和切削变形,冷焊在刀刃上的积屑瘤还会影响加工表面粗糙度。除刀刃的微观缺陷对积屑瘤的产生有直接影响外,切削速度和进给量对积屑瘤产生的影响也是显而易见的。微细切削时,在所有切削速度范围内都有积屑瘤存在,但切削速度的大小将影响积屑瘤的高度:切削速度越低,积屑瘤越高(切削速度V对积屑瘤高度的影响见图3);进给量越小,积屑瘤也越高(进给量f对积屑瘤高度的影响见图4)。
解决的措施与方法
要解决超微细切削加工存在的上述技术难点,加工时应采取以下技术措施与方法:
合理选材
为了提高超微细加工表面质量,应合理选择工件材料。选择微量加工性较好的工件材料(如非晶体材料或拥有精细晶粒结构的材料)可以得到加工表面完整性较好的工件表面。
减小刃口圆弧半径
用金刚石刀具超精密切削加工有色金属和非金属材料,能获得Ra0.02~0.002µm的镜面,精细研磨刀具后可切出厚度达1nm的切屑。目前金刚石刀具的刃口质量主要靠在旋转的铸铁盘上对金刚石刀具刃口进行精细研磨、抛光获得,而采用离子束加工及化学抛光加工可使被加工刀具具有亚微米级的形状精度。
采用斜角切削
斜角切削可以增大实际切削前角,减小切削刃圆弧半径及极限最小切削厚度,从而实现超薄切削和微细切削。微细切削时,刃倾角的选择需综合考虑金刚石刀具晶面的选择及刃磨。
选择适当的刀具前、后刀面
天然金刚石具有硬度高、耐磨性强、高温强度高、导热性好、与有色金属间的摩擦系数低、能磨出极锋利的刀刃等一系列优异特性,因此,虽然天然金刚石价格昂贵,但仍是不可替代的超微细切削刀具材料。
金刚石晶体具有强烈的各向异性,因此金刚石刀具前、后刀面的晶面选择显得尤为重要。通常用作刀具前、后刀面的金刚石晶面为(1 0 0)晶面和(11 0)晶面。用摩擦系数小的(1 0 0)晶面作为刀具的前、后刀面,可减小切削变形,减小刀具后刀面与加工表面间的摩擦及加工表面的残余应力。同时,用(1 0 0)晶面作为刀具的前、后刀面,耐磨性好,刀刃的微观强度高,不易产生微观崩刃,这对于保持刀刃锋利度、延长刀具使用寿命非常有利。
稳定的机床动特性和加工环境
要实现超微细切削,合理选择机床的动特性和保持加工环境的稳定性也非常重要。加工机床应配备高精度的微量进给装置,能够实现精确、稳定、可靠和快速的微位移;同时要求加工应具备超稳定的加工环境,以保证加工过程在严格的恒温、恒湿、防振、超净条件下进行,尽可能减小微振动对加工表面质量的影响。
降低切削温度
由于切削用量通过切削温度的变化来影响刀具积屑瘤高度,因此使用切削液降低切削温度是抑制积屑瘤、减小刀具磨损的有效措施。
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